第四章 常用傳感器基本原理與參數(shù)測試

1、西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù)第四章第四章 常用傳感器原理與參數(shù)測試常用傳感器原理與參數(shù)測試 1 概述概述 2 電阻式傳感器電阻式傳感器 3 電容式傳感器電容式傳感器 4 熱電式傳感器熱電式傳感器 5 光電式傳感器光電式傳感器 6 半導(dǎo)體磁效應(yīng)傳感器霍爾傳感器半導(dǎo)體磁效應(yīng)傳感器霍爾傳感器西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù)1 概述概述傳感器定義：傳感器定義：傳感器是一種能將特定的被測信息（物理量、化學(xué)量、生物量等），按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用輸出信號(hào)的器件。 智能傳感器：傳感器與微處理器相結(jié)合所形成的不僅具有信號(hào)檢測功能，而且具有信息處理功能的傳感器系統(tǒng) 分類：分類：按

2、輸入量：溫度、壓力、流量、位移等按輸出量：電壓、電流、電荷、電阻、電感、電容等考慮傳感器的輸入-輸出對應(yīng)關(guān)系：靜態(tài)特性：靜態(tài)輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)特性：動(dòng)態(tài)輸入信號(hào)西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù)傳感器靜態(tài)特性傳感器靜態(tài)特性（1）靈敏度與信噪比靈敏度：傳感器輸出量的變化值與相應(yīng)被測量(輸入量)的變化值之比 描述傳感器的輸出量(一般為電學(xué)量)對輸入量(一般為非電學(xué)量)敏感程度 傳感器校準(zhǔn)曲線的斜率即為靈敏度。對線性傳感器來說，靈敏度是一個(gè)常數(shù)；非線性傳感器的靈敏度則隨輸入量變化 靈敏度高的傳感器不一定是最好的傳感器。這是因?yàn)樗资茉肼暤挠绊憽?SN小，信號(hào)與噪聲就難以分清。 ( )yk xx

3、輸出量的變化值輸入量的變化值西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù)（2）線性度）線性度傳感器的輸出輸入校準(zhǔn)曲線與理論擬合直線之間的最大偏差與傳感器滿量程輸出之比，也稱“非線性誤差”、 “非線性度”。通常用相對誤差表示其大?。?max100%fFSeY 非線性誤差大小是以一擬合直線或理想直線作為基準(zhǔn)直線計(jì)算出來的，基準(zhǔn)直線不同，所得出的線性度就不一樣 ，最常用的是最小二乘法線性度 西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù)最小二乘法原理：最小二乘法原理： 設(shè)擬和的直線為 ，第j個(gè)測量點(diǎn)的輸出 與擬和直線上的相應(yīng)值的偏差為 ，最小二乘法擬和直線的原則就是使N個(gè)點(diǎn)的均方差 為最小值，即一

4、階偏導(dǎo)等于零 可得到b和k的值。y = kx + bjjjLkx +by2NN2jjjj 1j 111LNNkx + byff= 0,= 0bkNNNN2jjjjjj1j1j1j1NN22jjj1j1NNNjjjjj1j1j1NN22jjj1j1yybN()NyykN()xxxxxxxxxjy西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù)（3）靈敏度界限）靈敏度界限(閾值閾值)輸入變小，輸出也變小。但一般來說，輸入小到某種程度，輸出就不再變化了，這時(shí)的輸入叫做靈敏度界限。（4）遲滯差）遲滯差輸入逐漸增加到某一值，與輸入逐漸減小到同一輸入值時(shí)的輸出值不相等，叫遲滯現(xiàn)象。遲滯差表示這種不相等的程度

5、。其值以滿量程的輸出的百分?jǐn)?shù)表示。m ax100%tFSeY(5)穩(wěn)定性穩(wěn)定性穩(wěn)定性表示傳感器在一個(gè)較長的時(shí)間內(nèi)保持其性能參數(shù)的能力。西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù)傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器的動(dòng)態(tài)特性 研究傳感器動(dòng)態(tài)特性的方法是： 當(dāng)輸入信號(hào)是階躍函數(shù)時(shí)，用瞬態(tài)響應(yīng)法，即用時(shí)域范圍內(nèi)，響應(yīng)曲線的上升時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間、過調(diào)量等參數(shù)作為評(píng)定指標(biāo)； 當(dāng)輸入信號(hào)是正弦函數(shù)時(shí)，用頻率響應(yīng)法，其重要指標(biāo)是頻帶寬度（帶寬）。 西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù)2 電阻式傳感器 電阻式傳感器是一種將非電量參數(shù)(如壓力、拉力、扭力、位移等)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮柚底兓膫鞲衅鳌?按工作原理可分為

6、電位器式電阻傳感器、應(yīng)變式電阻傳感器、熱敏電阻傳感器和氣敏電阻傳感器。 比較重量設(shè)定原料原料西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) 應(yīng)變式電阻傳感器：應(yīng)變式電阻傳感器：是一種能將機(jī)械構(gòu)件上應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感元件。電阻應(yīng)變片的工作原理基于金屬的應(yīng)變效應(yīng)。金屬應(yīng)變效應(yīng)是指金屬導(dǎo)體的電阻隨著它所受機(jī)械變形(伸長或縮短)的大小而發(fā)生變化的現(xiàn)象。 lRs2RRRllRlSlSlSSSS RlSRlS22SrSrr2SrSr西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù)令 為電阻絲軸向相對伸長，即軸向應(yīng)變；而 則為電阻絲徑向相對伸長，即徑向應(yīng)變。兩者的比例系數(shù)即為泊松系數(shù) ，且力的方向

7、相反(以負(fù)號(hào)表示)，即 llrrrlrl 2SS (12)(12)(12)RRRR 金屬線材的電阻相對變化與軸向應(yīng)變成正比西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù)應(yīng)變式電阻傳感器的種類及選用應(yīng)變式電阻傳感器的種類及選用（1）電阻絲式應(yīng)變片：增大阻值制成柵狀（2）箔式應(yīng)變片：光刻、腐蝕等工藝制成，很薄厚度0.003-0.01mm之間。面積大、散熱好允許通過較大電流。應(yīng)力與實(shí)際接近。（3）半導(dǎo)體式應(yīng)變片：單晶硅施加一定載荷其電阻率變化。靈敏度高（金屬式的50倍）溫度系數(shù)大，靈敏系數(shù)非線性嚴(yán)重。電阻應(yīng)變片主要參數(shù)：電阻應(yīng)變片主要參數(shù)：（1）電阻值：未安裝、不受外力、室溫時(shí)測的電阻值標(biāo)準(zhǔn)化，60

8、、120、350、600、1000。（2）絕緣電阻：敏感柵與基地間的電阻值。（3）靈敏系數(shù)k：軸線方向施加應(yīng)力，阻值相對變化與應(yīng)變之比。關(guān)鍵參數(shù)，盡量大且穩(wěn)定。（4）允許工作電流：不影響測量準(zhǔn)確度的最大工作電流。25mA。西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù)（5）應(yīng)變極限：一定溫度時(shí)指示應(yīng)變與實(shí)際應(yīng)變值之差不超過允許值（如10%）時(shí)的最大真實(shí)應(yīng)變數(shù)值。（6）機(jī)械滯后：溫度一定，增加和減小機(jī)械應(yīng)變過程中同一應(yīng)變量指示應(yīng)變最大差值。（7）零點(diǎn)漂移：溫度一定，無應(yīng)變時(shí)，指示應(yīng)變隨時(shí)間的變化。（8）蠕變：溫度一定，承受一定的應(yīng)變時(shí)指示應(yīng)變隨時(shí)間的變化。選擇和使用應(yīng)變片的注意事項(xiàng)：選擇和使用應(yīng)

9、變片的注意事項(xiàng)：（1）應(yīng)變片適合阻值變化較小的場合。靈敏度高。阻值較大時(shí)刻選用電位器式電阻傳感器。（2）盡量選用靈敏度大的應(yīng)變片，且k盡量為常數(shù)。（3）溫度系數(shù)小。（4）黏合劑的選擇和粘貼技術(shù)：處理表面（打磨、酒精擦洗）、502、焊接引線、檢查絕緣、704保護(hù)（5）溫度補(bǔ)償西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù)電容式傳感器：電容式傳感器：工作原理：工作原理：將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化變間隙式：變間隙式：測量微小的線性位移變面積式：變面積式：般用來測角位移(一度至幾十度)或較大的線位移；變介電常數(shù)式：變介電常數(shù)式：常用于固體或液體的物位測量，也用于測定各種介質(zhì)的溫度、密度等狀態(tài)參數(shù)。

10、后兩者呈正比，第一個(gè)是非線性關(guān)系。 SC20000001()1().1xSSxxCCxx00(1)xxCC0( /)1x11cxCS容抗 ，容抗與 成正比西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù)電容式傳感器的特點(diǎn)：電容式傳感器的特點(diǎn)：（1）需要的動(dòng)作能量或力極小。在移動(dòng)過程中，沒有摩擦和幾乎沒有反作用力，特別適宜用來解決輸入能量低的條件下的測量問題。 （2）有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。作用能量極小，有較小的可動(dòng)質(zhì)量，有較高的固有頻率。能在幾兆赫的頻率下工作，有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。 (3)靈敏度高，分辨力強(qiáng)。能感受或分辨0.01微米甚至更小的位移。 (4)零點(diǎn)漂移很小。本身幾乎不存在發(fā)熱問題，不

11、存在由本身發(fā)熱而引起的零點(diǎn)漂移。 (5)能實(shí)現(xiàn)無接觸測量。西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器 2mNLRmFRRRFRR02RS2202NNSLR西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) 磁電式傳感器 dENdt dENBSdt西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) 壓電式傳感器壓電式傳感器 某些物質(zhì)，如石英，受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸會(huì)發(fā)生變化，而且內(nèi)部會(huì)被極化，表面產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。壓力變送器壓力變送器而產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗。但在

12、實(shí)際線路中，電荷將會(huì)逐漸泄漏。因此，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量。故壓電傳感器應(yīng)在動(dòng)態(tài)測量中使用。 西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù)熱電式傳感器熱電式傳感器 工作原理：基于熱電效應(yīng) 將兩種材料不同的導(dǎo)體的兩個(gè)端點(diǎn)焊接在一起，構(gòu)成一個(gè)閉合回路。如果兩連接點(diǎn)1和2溫度不同，回路中就會(huì)有一個(gè)電動(dòng)勢，并在閉合回路中產(chǎn)生電流。這個(gè)電勢和電流與兩種導(dǎo)體的性質(zhì)和兩個(gè)接點(diǎn)間的溫度差有關(guān)。這種現(xiàn)象就稱為熱電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)。 T1T2，接點(diǎn)1稱熱端或稱工作端，接點(diǎn)2稱冷端，熱電勢是由接觸電勢(又稱珀?duì)柼妱?和單一導(dǎo) 體的溫差電勢(又稱湯姆遜電勢)組成。西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù)

13、接觸電勢產(chǎn)生的原理：接觸電勢產(chǎn)生的原理：不同的導(dǎo)體具有不同的自由電子濃度。當(dāng)兩種不同導(dǎo)體接觸后，自由電子便從濃度高的一方向濃度低的一方擴(kuò)散，結(jié)果在界面附近一方失去電子，帶正電；另一方得到電子帶負(fù)電，在兩導(dǎo)體的接觸面上形成電位差。達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)形成接觸電勢。lnAABBkTNeeN西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù)溫差電勢：溫差電勢：同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢。由于兩端溫度不同，導(dǎo)體內(nèi)自由電子的運(yùn)動(dòng)速度不同，高溫端的電子運(yùn)動(dòng)速度比低溫端的電子運(yùn)動(dòng)速度要大。因此，電子將從速度大的區(qū)域向速度小的區(qū)域擴(kuò)散，結(jié)果高端失去電子而帶正電，低端得到電子而帶負(fù)電，從而在導(dǎo)體的兩端形成

14、溫差電勢。在和兩個(gè)導(dǎo)體組成的熱電偶回路中，總的熱電勢為 2112121212TA12BATB( , )( )( )( , )( , )N(T T)ln(-)NABABABBAET TeTeTT TT TkdTe 00TA0ATTB0BT(T ,T )(T ,T )dTdT溫度高的一端為工作端，溫度低的一端為自由端。根據(jù)熱電勢與溫度的關(guān)系，制成熱電偶分度表，自由端溫度恒定為0西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù)中間金屬定律中間金屬定律：在由A和B兩種導(dǎo)體組成的熱電偶回路中，不管從何處接入第三導(dǎo)體，只要保證接入導(dǎo)體兩端的溫度相同，則接入導(dǎo)體時(shí)將不影響原來回路中的熱電勢。 可見，要測量熱電

15、偶回路中的熱電勢，只要保證接入的儀表兩接點(diǎn)溫度相同，就能準(zhǔn)確測量出原熱電偶回路中的熱電勢。00212121TTC0BC0CA0ABTTT0CBABTACT0BABTAT0ABT0( ,)( )( )( )TNN(lnln)( )(-)NNTNln( )(-)N( )( )(-)( ,)ABABABABABABABET TeTeTeTdTdTkeTdTekeTdTeeTeTdTET T 西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù)131223( ,)( ,)(,)E T TE T TE T T冷端溫度為T2=30時(shí)的熱電勢 ，查特性分度表得到1212( ,0)(,0)( ,)E TE TE T

16、 T(30,0)E中間溫度定律：中間溫度定律：兩節(jié)點(diǎn)溫度為T1和T2時(shí)熱電勢為E（T1，T2），當(dāng)節(jié)點(diǎn)溫度為T2和T3時(shí)，熱電勢為E（T2，T3），則當(dāng)節(jié)點(diǎn)溫度為E（T1，T3）時(shí)為12( ,)E T T(T1,0)E得到 ，查分度表得到T1西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù)冷端溫度補(bǔ)償：冷端溫度補(bǔ)償：必要性：必要性：熱電偶的熱電勢是兩節(jié)點(diǎn)溫度差的函數(shù)，作為參比端的冷端溫度必須恒定才有利于測量的規(guī)范化。即需要冷端溫度補(bǔ)償。方法：方法：（1）0恒溫法：將熱電偶的冷端置于0恒溫器內(nèi)，此時(shí)工作狀態(tài)與分度表一致。測出熱電勢后查分度表直接得到熱端溫度。如冰水混合物。西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣

17、工程系-電氣測試技術(shù)（2）補(bǔ)償導(dǎo)線：當(dāng)熱電偶用于高溫測量時(shí)，其冷端溫度受熱端溫度影響很大，并隨熱端溫度變化而波動(dòng)。補(bǔ)償導(dǎo)線法就是采用一種專用補(bǔ)償導(dǎo)線來延長熱電偶，使冷端移到不受熱端溫度影響的遠(yuǎn)處，從而得到一個(gè)不為0但溫度較為穩(wěn)定的冷端溫度。要滿足由必須 補(bǔ)償導(dǎo)線的熱電動(dòng)勢標(biāo)稱值與熱電偶相同。AB12CD20AB10( ,)(,)( ,)ET TET TET TAB12CD20AB12AB20( , )( , )( , )( , )E T TE T TE T TE T TCD20AB20(,)(,)ET TET T西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù)半導(dǎo)體熱敏電阻：半導(dǎo)體熱敏電阻：將溫

18、度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮柚底兓囊环N傳感器 ATTRKeBTTRKe1TTdRARdT21TTdRBRdTT 溫度系數(shù) 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的溫度系數(shù)為負(fù)，且與電阻溫度的平方成反比，隨溫度降低而迅速增大，具有很高的靈敏度。應(yīng)用較廣熱敏電阻特性：靈敏度高，可分辨0.02度，阻值范圍大，適合不同電路的需要，可以遠(yuǎn)距離傳輸；熱慣性小，快速測量；體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單。查表線性修正。西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù)總結(jié)：總結(jié)：熱電偶（熱電偶（Thermocouple）的特點(diǎn)）的特點(diǎn)響應(yīng)快、不需要激勵(lì)、便宜；冷端溫度補(bǔ)償CJC（Cold Junction compensation ），非線性 ；電

19、壓低，易受干擾；典型精度為1。熱敏電阻熱敏電阻-Thermistor 負(fù)溫度系數(shù)， 1KM歐， 2-線測量，分辨率高、電流低、響應(yīng)快 ，需要激勵(lì)、非線性西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù)熱電阻-RTD，Resistance Temperature Detector結(jié)實(shí)；響應(yīng)速度慢、需要激勵(lì)、非線性，變化量小、端電阻影響（2、3、4線測量電路），101K歐正溫度系數(shù)。Pt100 (-100 to +850 C) ，Ni120 (-80 to +320 C) ，Cu10 (0 to +260 C)西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù)ARJ21飛機(jī)蓄電池溫度傳感器特性西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù)2線3線4線西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù)電橋西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù)R1:受環(huán)境溫度和被測量影響R2: 受環(huán)境溫度影響差動(dòng)傳感器：消除溫度的影響，而且提高了靈敏度。電橋：初始狀態(tài)平衡西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化